蛋白质样品的清洁验证中 TOC 分析仪器的比较

总有机碳 (Total Organic Carbon， TOC) 一般理论所有 TOC 分析仪器具有两种功能： 

       将水中有机碳氧化成二氧化碳 (CO₂) 和测量所产生 的 CO₂。TOC 可用于对未正确清洁的仪器中的杂质 和残留物进行定量，以及测量所有含碳化合物：药 物活性成分 (Active Pharmaceutical Ingredients， API)、清洁制剂、蛋白质和中间产物。用来测量 TOC 的分析技术有着相同的目标：把有机分子完全 氧化成CO₂，测量所生成的CO₂，并以碳浓度表示。 所有方法都必须区分无机碳和有机碳，无机碳可能 来自水中溶解的 CO₂ 和重碳酸盐，而有机碳则是由 样品中有机分子氧化而成的。总碳 (TC) 是有机碳与 无机碳之和，因此测得的总碳 (TC) 减去测得的无机 碳 (IC) 的值就是 TOC：TOC = TC - IC.¹ 

       各种 TOC 分析仪器的不同之处在于氧化水样品中有机物的方法，以及检测样品中所生成 CO₂ 浓度的方法。不同的检测方法对样品分析的准确度有很大影响，进而影响清洁验证测试程序。

TOC 氧化技术 

      市面上所有 TOC 分析仪器都使用以下两种方法之一来氧化有机化合物并将之转换为 CO₂ 气体：燃烧， 或紫外 (UV) 灯过硫酸盐 (法)。 

       燃烧技术使用氮气、氧气或空气流，温度在 600°C 以上。燃烧方法在氧化步骤中也使用催化剂。该类 方法中常用的催化剂有氧化铜、氧化钻或铂。

       UV 过硫酸盐氧化方法利用 UV 光使有机物完全氧化 为 CO₂。将样品暴露在设备内汞蒸汽灯的 UV 光之 下，将样品内的有机物转化为 CO₂ 气体。对于浓度大于 1ppm 的样品或化合物 ，则在样品流中加入过 硫酸盐并混合均匀，从而利用接受照射的样品生成 的负价氢氧 (HO- ) 基来确保氧化过程顺利进行。过 硫酸盐是一种强氧化剂，在 UV 辐射下生成硫酸盐 和氢氧基，可将有机化合物完全氧化为 CO₂。

TOC 检测方法 

       为检测 CO₂ 浓度，分析仪器需要使用检测方法以区 分样品中的 CO₂ 和其他分子。现有两种检测方法： 非分光红外 (Non-Dispersive Infrared， NDIR) 或电导测量。 

       用于气体测量的 NDIR 技术依靠各种气体在红外光谱范围内的能量吸收特征来判别分子类型。运用 NDIR 技术的 TOC 分析仪器使红外线穿过两根完全相同的导管射入检测器。diyi个导管作为参比池， 充满无红外吸收的气体，如氮气。第二个导管 (池)用于气体样品的测量。

       电导检测方法使用电导传感器，通过计算电导率确 定 CO₂ 的浓度。为计算 TOC，水溶液通过两个电导传感器，其中一个测量总碳 (TC) 浓度而另一个测量 无机碳 (IC) 浓度。根据测量结果，计算出样品的 TOC 浓度。

       NDIR 方法可对含碳范围在 0.004 – 50,000 ppm 的样品进行定量，而电导率法可以进行十亿分之一 (part per billion, ppb) 级的定量。总体而言，NDIR 和电导率检测器对于低浓度的 TOC 有足够的灵敏度， 但会受到离子干扰。使用只允许 CO₂ 选择性透过的 半透膜可减轻此因素的影响。 

Sievers* TOC 技术与众不同的特点

       结合使用 UV 过硫酸盐氧化与独特的选择性 CO₂ 膜技术, 是 Sievers 系列 TOC 分析仪优于常规 TOC 技术(如燃烧 NDIR 技术)的众多要素之一。Sievers 技术能持续为用户提供更为精确的 TOC 读数。 

       在 Sievers 的基于膜的电导方法中，CO₂传送模块中 的选择性 CO₂ 膜可阻止离子进入，在使 CO₂ 无阻通过的同时，排除了干扰化合物和氧化副产物。选择性 CO₂ 膜消除了背景干扰，并防止非碳基化合物和 副产物聚集。 

       清洁验证带来了一种充满挑战的局面，因为各种样 品的 TOC 浓度有时是未知的，因此Z的分析条件很 难达到。以下几点zhuo越之处确保了 UV 过硫酸盐膜电导技术无可比拟的分析结果。

试剂自适应功能保证完全氧化 

       为使清洁验证样品完全氧化，Sievers  900 系列的分析器具有试剂自适应功 能，可优化酸和过硫酸盐氧化剂的流量。 

非催化燃烧方法 

       非催化燃烧方法消除了向燃烧反应器中添加催化剂的定量（根据样品中碳浓度 而定）时的人为误差。燃烧氧化方法会 产生毒性气体。如清洁验证样品中含氯 化物，燃烧可能生成对人体有潜在危害的气体，某 些 TOC 分析仪不吸收这类气体。

无需 NDIR 检测器 

       NDIR 检测器需要一定的时间来预热 （30 到 45 分 钟），因此造成更多的停工时间和样品积压。 NDIR 技术需要经常进行校正（每小时或每天）， 由清洁验证样品的碳浓度决定。这类检测器经常出 现校正漂移现象。校正时间占 NDIR 仪器运行时间的 6%到 10%。

不用载气 

       NDIR 检测器的载气价格不菲，并且泄漏和不稳定 的校正通常引起高 TOC 背景。载气污染也可能造成 测量困难和引起碳的高背景。 

出色的灵敏度和高回收率 

       Sievers TOC 分析仪的电导池由高纯度石英制成， 提供更佳的稳定性和 0.03ppb 级别的检测。图 1 和 表 1 从灵敏度和 TOC 回收率两个方面，就牛血清蛋白 (Bovine Serum Albumin, BSA) 对 Sievers TOC 与 传统燃烧-NDIR TOC 技术进行比较。

图 1. Bovine Serum Albumin (BSA) TOC 回收百分比对比研究

表 1. Bovine Serum Albumin (BSA) TOC 回收百分比对比研究** 

**该对比研究使用完全矫正后的仪器。分析之前，先进行并通过系统适应性测试。对两种仪器，制备并使用同一BSA 储各溶液。研究在可控的环境中进行；分析期间，仪器未出现偏差。

为什么说现在正是改用Sievers TOC进行清洁验证的时候 

       HPLC 分析很漫长，增加了实验室清洁验证分析所需时间。使用 HPLC 将导致数小时或数天的停工， 造成高额成本并减少了提供给患者的产品数量。有 例子表明，某些制药企业单日停工损失超过 100 万 美元。表 2 将 Sievers 900 TOC 分析仪与燃烧/催化 NDIR 和燃烧 NDIR 进行了详细比较，其中包括估算的月运行成本。 

       TOC 是一种用于低浓度级别有机化合物检测的、简单快速的分析方法，并且可以用于无法使用 HPLC检测的污染物。与常规方法相比，TOC 已被证明可减少 75%以上停工时间和方法验证时间。FDA Z近出台了新的指导方针——21 世纪现行药物生产质量 管理规范 (cGMP's for the 21st Century)，旨在加强和更新药物制造规则，使用 TOC 分析进行清洁验证， 与特异性分析方法相比 (如 HPLC) 在质量和效率上 的优势已引发越来越多的关注。²

表 2.TOC 方法比较

参考文献

1.USP<643>TotalOrganicCarbon. 

2. Andrew W.Walsh 为本应用摘要提供了内容。